AT521010A4 - Arrayed Waveguide Grating - Google Patents

Abstract

Ein Arrayed Waveguide Grating (AWG) umfasst einen Eingangs-Wellenleiter (1) zum Zuführen des Lichts, einen Eingangs-Koppler (3), der einen ersten Freistrahlbereich ausbildet, einen vom Eingangs-Koppler (3) ausgehenden Wellenleiter-Array (4) mit einer Vielzahl von Wellenleitern abgestufter Längen, einen an den Wellenleiter-Array (4) anschließenden Ausgangs-Koppler (5), der einen zweiten Freistrahlbereich ausbildet, und einer Vielzahl von vom Ausgangs-Koppler (5) ausgehenden Ausgangs-Wellenleitern (6) zum Abführen der aufgeteilten Wellenlängen­ Komponenten des Lichts. Der Eingangs-Wellenleiter (1) ist über einen Eingangs­ Taper (2) mit dem Eingangs-Koppler (3) verbunden und die Anfangsbreite (w1) des Eingangs-Tapers (2) entspricht der Breite des Eingangs-Wellenleiters (1). Beim Eingangs-Taper (2) handelt es sich um einen exponentiellen Taper mit negativem Exponenten (-a*x). (Fig. 1)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Arrayed Waveguide Gräting (AWG), umfassend

- einen Eingangs-Wellenleiter zum Zuführen des Lichts,

- einen Eingangs-Koppler, der einen ersten Freistrahlbereich ausbildet,

- einen vom Eingangs-Koppler ausgehenden Wellenleiter-Array mit einer Vielzahl von Wellenleitern abgestufter Längen,

- einen an den Wellenleiter-Array anschließenden Ausgangs-Koppler, der einen zweiten Freistrahlbereich ausbildet,

- einer Vielzahl von vom Ausgangs-Koppler ausgehenden Ausgangs-Wellenleitern zum Abführen der aufgeteilten Wellenlängen-Komponenten des Lichts, wobei der Eingangs-Wellenleiter über einen Eingangs-Taper mit dem Eingangs-Koppler verbunden ist und die Anfangsbreite des Eingangs-Tapers der Breite des EingangsWellenleiters entspricht.

AWGs, die aus einer integriert-optischen Wellenleiterstruktur gebildet werden, werden für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt, insbesondere in der Telekommunikation als Multiplexer und Demultiplexer für optische Netzwerke, die auf DWDM (=Dense Wavelength Division Multiplexing) beruhen oder auch in der Integrierten Optik zB. für medizinische Diagnostiken wie optische Spektrometer für OCT (optische Kohärenztomographie)-Geräte. OCT-Geräte kommen u.a. für medizinische Anwendungen, beispielsweise in der Augenheilkunde, zum Einsatz.

Herkömmliche OCT-Geräte bestehen aus mehreren Einzelkomponenten wie Interferometer, Spektrometer und Detektor. Damit sind diese OCT-Geräte groß, schwer (nicht tragbar) und teuer. Ein Problem der Miniaturisierung eines OCTGerätes, um die OCT-Funktionalität auf einem einzelnen Chip zu integrieren, besteht in der erforderlichen Größe für ein AWG-Spektrometer mit geeigneten optischen Eigenschaften. Vom AWG-Spektrometer wird das empfangene Licht in / 27 • · • · verschiedene Wellenlängen aufgeteilt, wobei eine jeweilige Wellenlänge in einem jeweiligen Kanal übertragen wird, der von einem der Ausgangs-Wellenleiter gebildet wird. In der Regel wächst die AWG-Struktur-Größe sowohl mit der Anzahl der Ubertragungskanäle als auch mit den Zielspezifikationen. D.h,, je bessere optische Eigenschaften zu erreichen sind, umso größer wird die Struktur. Wenn es um die Integrierung der Optik geht, spielt die Größe aber eine sehr wichtige Rolle, weil die AWG-Struktur mit anderen photonischen Komponenten auf einem Chip integriert werden muss. Neben dem Wellenlängenbereich, in welchem das Spektrometer arbeitet und der Anzahl der Ausgangs-Kanäle, wodurch die Auflösung des Spektrometers bestimmt wird, sind wichtige optische Eigenschaften die Verluste (insertion loss, IL) und das Kanal-Übersprechen (channel crosstalk, AX).

Herkömmliche AWG-Spektrometer, welche in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis 900 nm arbeiten und mindestens eine hohe Anzahl der Ausgangs-Kanäle aufweisen (mehr als 500), weisen eine Größe von mehr als 2 cm x 2 cm auf (für ein Silizium Nitrid Materialsystem) und passen somit nicht auf einen Chip von 2cm x 2 cm, insbesondere nicht in Verbindung mit weiteren auf dem Chip unterzubringenden Komponenten.

Aus der Veröffentlichung „Low-crosstalk Si arrayed waveguide grating with parabolic tapers, Tong Ye et al., Optics Express, 2014, 31899-31906, geht es um die Verbesserung des Kanal-Übersprechens einer AWG-Struktur mit Si-SiO₂Wellenleitern. Solche Aufbauten, bei welchen ein großer Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Siliziumkern (n=3,45) und dem SiO₂-Mantel (n=1,45) vorliegt, werden insbesondere in der Nachrichtentechnik eingesetzt. Es wurde festgestellt, dass das Kanal-Übersprechen durch besonders kurze parabolische Taper verringert werden konnte, während lineare und exponentielle Taper weniger gute Ergebnisse bringen. Ob es sich um exponentielle Taper mit positiven oder negativen Exponenten handelt, geht aus dieser Schrift nicht hervor. Üblicherweise werden allerdings exponentielle Taper mit positiven Exponenten eingesetzt.

In der Telekommunikation, wenn es um das Multiplexen bzw. Demultiplexen einer Mehrzahl von Kanälen mit unterschiedlichen Frequenzen mittels eines AWG's geht, / 27 • · ···· ···· ·« ···· · ··· · · • ·· · · ······ t ······· ··!

• · ·· ·· ···· · · · ist häufig ein abgeflachtes Transmissionsspektrum („flat top passband) für die einzelnen Übertragungskanäle gewünscht, um größere Toleranzen für die Frequenzen der einzelnen Übertragungskanäle zu ermöglichen. Hierzu wird das Nahfeld im Eingangs-Koppler derart modifiziert, dass ein „Doppel-Spitzen-Mode („double-peaked-mode) oder ein Mode mit einer flachen Spitze („flat top mode) erreicht wird. Um die Ausbildung eines derartigen „flat top passband geht es beispielsweise in der WO 02/103423 A2. Es werden hierzu unterschiedliche Formen für den Eingangs-Taper herangezogen, über welchen der Eingangs-Wellenleiter mit dem Eingangs-Koppler verbunden ist. Neben anderen Tapern werden auch exponentielle Taper mit positiven Exponenten eingesetzt. Die Taper müssen jeweils lang genug sein, um eine ausreichende Energieübertragung vom FundamentalMode in den ersten angeregten Mode zu erreichen, damit es zur Ausbildung eines „flat top passbands kommt. An den Taper mit der entsprechenden Form und Länge schließt jeweils noch ein „phase shifter an, derbeispielsweise eine konstante Dicke oder eine Arkuskosinus-Form aufweist.

Auch in der EP 2 015 117 A1 und der US 2007/0071388 A1 geht es um die Ausbildung eines Nahfelds mit zwei Spitzen zur Erzielung eines „flat top passband , zu welchem Zweck Taper unterschiedlicher Form eingesetzt werden. In der US 2007/0071388 A1 sind neben exponentiellen Tapern mit positiven Exponenten auch exponentielle Taper mit negativen Exponenten angeführt. Zur Ausbildung des Nahfelds mit dem „double peak und der abgeflachten Übertragungscharakteristik der Ausgangs-Kanäle weist der Taper insbesondere eine Anfangsbreite auf, welche wesentlich größer als die Breite des Eingangs-Wellenleiters ist.

Während für manche Anwendungen, insbesondere für das Frequenz-Multiplexen im Telekommbereich, eine „flat top-Übertragungscharakteristik gewünscht ist, ist in anderen Anwendungen beispielsweise für OCT-Geräte, eine solche

Übertragungscharakteristik gerade unerwünscht, da diese u.a. zu einer

Vergrößerung der Verluste und des Kanal-Übersprechens führt.

Aufgabe ist es, ein vorteilhaftes Spektrometer der eingangs genannten Art mit einer / 27 • · • · ······· · · · ·· · · ·· ···· · · · verringerten Größe bereitzustellen. Erfindungsgemäß gelingt dies durch ein Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Beim Spektrometer gemäß der Erfindung ist der Eingangs-Taper als exponentieller Taper mit negativem Exponenten ausgebildet, wobei die Anfangsbreite des Eingangs-Tapers der Breite des Eingangs-Wellenleiters entspricht.

Die Erfindung beruht hierbei auf der Erkenntnis, dass es mit einem solchen Eingangs-Taper möglich ist, eine Gauß-Charakteristik der Nahfeld-Intensität am Eingang (=Anfang) des Eingangs-Kopplers und somit eine Gauß-Charakteristik der Transmissionsspektren der Ausgangs-Kanäle gleichzeitig aber eine schmalere Verteilung der Fernfeld-Intensität im Eingangs-Koppler, zu erreichen. Damit wird die Breite des Eingangs-Kopplers, über welche zur Vermeidung von größeren Verlusten, Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays ausgehen müssen, verringert. Dadurch ergibt sich eine bedeutende Verringerung der Größe des AWG.

Insbesondere ist die Breite der Fernfeld-Intensität am Ausgang (Ende) des EingangsKoppler, wenn diese zwischen den Punkten gemessen wird, an welchen die Größe der Fernfeld-Intensität 10% des Maximalwertes beträgt, um mehr als 20%, vorzugsweise um mehr als 25% kleiner als die entsprechende Breite der FernfeldIntensität, welche sich bei einem linearen Taper mit gleicher Anfangs- und Endbreite und gleicher Länge ausbildet. Dadurch kann die Anzahl der Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays um ein Viertel bis zu einem Drittel verringert werden (zum Beispiel bei einem 160 Kanal AWG sinkt die Anzahl der Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays von 930 auf 650).

Die Halbwertsbreite der Nahfeld-Intensität am Anfang des Eingangs-Kopplers kann hierbei günstigerweise weniger als 10% größer als bei einem linearen Taper gleicher Länge und gleicher Anfangs- und Endbreite sein.

Insbesondere entspricht die Nahfeld-Intensität am Eingang des Eingangs-Kopplers zumindest annähernd einer Gauß-Verteilung. Damit kann das Transmissions5 / 27 • · · · · · ·· • · · · · ··· • · · · · ······ · ······» · · · • · · · · · ···· · · ·

Spektrum eines jeweiligen Ausgangskanals ebenfalls zumindest annähernd eine Gauß-Verteilung aufweisen. Es kann dabei ein geringes Kanal-Übersprechen erreicht werden.

Um vorteilhafte optische Eigenschaften des AWG zu erreichen, liegt in der die Form des Eingangs-Tapers charakterisierenden Exponentialfunktion e “^xder Wert α im Bereich von 3 bis 9, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 7.

Die Länge des Eingangs-Tapers wird so gewählt, dass eine vorteilhafte schmale Verteilung der Fernfeld-Intensität erreicht wird. Die jeweilig geeignete Länge hängt vom verwendeten Halbleitersystem ab und liegt beispielsweise bei SiO₂-Si₃N₄, im Bereich von 8-14 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 9-12 pm.

Die Grundfläche des AWG, ohne Berücksichtigung des. Eingangs-Wellenleiters und des Ausgangs-Wellenleiters kann vorteilhafterweise von einem Quadrat eingefasst werden, dessen Seitenlänge weniger als 2 cm, vorzugsweise weniger als 1,5 cm beträgt (für das SiO₂-Si₃N₄ Materialsystem).

Ein in erfindungsgemäßer Weise ausgebildetes AWG-Spektrometer kann insbesondere in einem OCT-Gerät eingesetzt werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der beil legenden Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß der Erfindung; Fig. 2a-2c nicht erfindungsgemäße Ausbildungsformen für die Verbindung des

Eingangs-Wellenleiters mit dem Eingangs-Koppler als Vergleichsbeispiele; Fig. 2d die Verbindung des Eingangs-Wellenleiters mit dem Eingangs-Koppler mittels eines erfindungsgemäßen Eingangs-Tapers;

Fig. 3a-3d die Nahfeld-Intensität am Eingang des Eingangs-Kopplers für die

Ausbildungen entsprechend den Fig. 2a-2d;

Fig. 4a-4d die Fernfeld-Verteiler am Ende des Eingangs-Kopplers für die / 27 • · • · • · · · · ······ · ······· · · 9

Ausbildungen entsprechend den Fig. 2a-2d;

Fig. 5a-5d die Transmissions-Spektren von jeweils acht Ausgangs-Kanälen für die

Ausbildungen entsprechend den Fig. 2a-2d;

Fig. 6a-6d die Größenverhältnisse des AWG für die Ausbildungen entsprechend den

Fig. 2a-2d;

Fig. 7 ein Teil eines OCT-Gerätes mit einem ein erfindungsgemäßes Spektrometer aufweisenden Chip.

Ein erfindungsgemäßes AWG, welches aus einer integriert-optischen

Wellenleiterstruktur ausgebildet ist, ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Das AWG, welches insbesondere ein Spektrometer ausbilden kann, weist einen EingangsWellenleiter 1 auf, der über einen Eingangs-Taper 2, welcher weiter unten genauer erläutert wird, mit einem Eingangs-Koppler 3 verbunden ist. Der Eingangs-Koppler stellt einen Freistrahlbereich für das über den Eingangs-Wellenleiter 1 zugeführte Licht dar. Am Ausgang des Eingangs-Kopplers 3 wird das Licht in ein WellenleiterArray 4 eingespeist, welches von einer Vielzahl von Lichtwellenleitern gebildet wird, deren Längen, ausgehend vom kürzesten Wellenleiter, nach und nach zunehmen. Von den Wellenleitern des Wellenleiter-Arrays 4 sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nur einige wenige dargestellt.

Nach ihrem Austritt aus diesen Wellenleitern interferieren die einzelnen Teilstrahlen in einem weiteren Freistrahlbereich, der von einem Ausgangs-Koppler 5 gebildet wird. An den Ausgangs-Koppler 5 schließen die Ausgangs-Wellenleiter 6 an, in welche jeweils nur das Licht mit einer schmalen Verteilung um eine bestimmte Wellenlänge eintreten kann. Die das Licht dieser bestimmten Wellenlängen abführenden Ausgangs-Wellenleiter werden auch als Ausgangs-Kanäle bezeichnet. Von den Ausgangs-Wellenleitern sind in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nur einige wenige dargestellt. Ein AWG gemäß der Erfindung weist vorteilhafterweise mehr als 500, z.B. 512 Ausgangs-Wellenleiter auf.

AWG's werden auf planaren Substraten, meist Silizium Wafern hergestellt, auf denen ein Schichtaufbau aufgebracht ist, mit welchem sich Wellenleiter realisieren lassen.

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Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei insbesondere um Schichten von SiO₂ und von Si₃N₄.

Fig. 1 ist somit eine schematische Draufsicht auf das AWG, rechtwinkelig zur Oberfläche des planaren Substrats, welches insbesondere von einem Silizium Wafer gebildet wird, auf dem das AWG ausgebildet ist.

Die Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays 4 sind mit dem Eingangs-Koppler 3 und dem Ausgangs-Koppler 5 günstigerweise ebenfalls über Taper verbunden, die in herkömmlicher Weise ausgebildet sein können, insbesondere in Form von linearen Tapern. Die Ausgangs-Wellenleiter 6 sind mit dem Ausgangs-Koppler 5 günstigerweise ebenfalls über Taper verbunden, die in herkömmlicherWeise ausgebildet sein können, insbesondere in Form von linearen Tapern.

Die genauere Form des Eingangs-Tapers 2 ist aus Fig. 2d ersichtlich. Es handelt sich um einen exponentiellen Taper mit negativem Exponenten, wobei die Anfangsbreite w^es Eingangs-Tapers 2 der Breite des Eingangs-Wellenleiters 1 entspricht.

In Fig. 2d sind mit gestrichelten Linien die x- und y-Achse eines zweidimensionalen kartesischen Koordinatensystems dargestellt, welches parallel zur Ebene der Substratoberfläche liegt, auf welcher das AWG ausgebildet ist. Die x-Achse erstreckt sich hierbei mittig durch den Endabschnitt des Eingangs-Wellenleiters und rechtwinkelig zur Eintrittsebene des Eingangs-Kopplers 3, an der Stelle, an der der Eingangs-Taper 2 mit dem Eingangs-Koppler 3 verbunden ist. Die rechtwinkelig zur x-Achse stehende y-Achse verläuft durch die Stelle des Übergangs zwischen dem Ende des Eingangs-Wellenleiters 1 und dem Anfang des Eingangs-Tapers 2. Mit einem solchen Koordinatensystem sind die beiden Seitenränder des EingangsTapers 2 durch folgende Funktionen definiert:

y = w,/2 + k (1 - e ^ax) y = -w,/2 + k (e'“^x-1) / 27 ···· • · • ·

Wobei k so definiert ist, dass bei gegebenem α die Endbreite w₂ des Tapers den gewünschten Wert erreicht.

Die Fig. 2a-2c zeigen nicht erfindungsgemäße Ausbildungen, die für den Vergleich der optischen Eigenschaften des AWG mit der erfindungsgemäßen Ausbildung herangezogen werden. Speziell zeigt Fig. 2a die Verbindung des EingangsWellenleiters 1 mit dem Eingangs-Koppler 3 ohne Ausbildung eines Tapers und die Fig. 2b und 2c zeigen lineare Taper mit der gleichen Länge I wie die des erfindungsgemäßen Tapers und der gleichen Anfangsbreite w,, die der Breite des Eingangs-Wellenleiters entspricht, wobei die Endbreite w₂des linearen Tapers von Fig. 2b derjenigen des Tapers von Fig. 2d entspricht und die Endbreite w₂des linearen Tapers von Fig. 2c demgegenüber größer ist.

Speziell wurden für ein SiO₂ - Si₃N₄ System, die Intensitätsverteilungen des Nahfeldes am Eingang des Eingangs-Koppler 3 und des Fernfeldes im EingangsKoppler 3 sowie die Transmissions-Spektren von einigen der Ausgangskanäle für die im Folgenden genannten Parameter berechnet, vgl. Fig. 3a-3d, 4a-4d und 5a-5d.

Für die Längen der Taper gemäß Fig. 2b bis 2d wurde dabei ein Wert von 11 pm herangezogen. Für die Endbreite w₂des erfindungsgemäßen Tapers gemäß Fig. 2d wurde ein Wert von 2,5 pm herangezogen, für die Endbreite w₂des linearen Tapers gemäß Fig. 2b der gleiche Wert und für die Endbreite w₂des linearen Tapers gemäß Fig. 2c ein Wert von 4 pm. Der Exponent α im exponentiellen Taper von Fig. 2d wurde mit 5 angesetzt.

Die Nahfeld („nearfield)-lntensitätsverteilung entspricht der auf die y-Achse bezogenen Intensitätsverteilung des Lichts am Eingang des Eingangs-Kopplers 3. In Fig. 3a ist die Nahfeld-Intensitätsverteilung für den Fall dargestellt, dass kein Eingangs-Taper vorhanden ist (entsprechend Fig. 2a). Die NahfeldIntensitätsverteilung entspricht einer Gauß-Kurve mit bestimmter Halbwertsbreite. Die Fig. 3b-3d zeigen Nahfeld-Intensitätsverteilungen für Eingangs-Taper / 27 • · • · ··· · entsprechend den Fig. 3b-3d, wobei die x- und y-Achsen gleich skaliert sind. Für den Fall eines linearen Tapers mit der Endbreite w₂von 2,5 pm ist wiederum eine gaußförmige Nahfeld-Verteilung gegeben, welche eine nunmehr etwas größere Halbwertsbreite aufweist. Diese Halbwertsbreite nimmt beim linearen Taper entsprechend Fig. 2c, dessen Endbreite w₂4 pm beträgt, nochmals zu. Beim exponentiellen Taper gemäß Fig. 2d ist ebenfalls eine zumindest im Wesentlichen gaußförmige Nahfeld-Verteilung vorhanden, deren Halbwertsbreite nur geringfügig größer als die des linearen Tapers von Fig. 2b ist. Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Ausbildung die Halbwertsbreite der NahfeldIntensitätsverteilung weniger als 10%, größer als die Halbwertsbreite der NahfeldIntensitätsverteilung, die sich für einen linearen Eingangs-Taper gleicher Länge und gleicher Anfangsbreite w, und Endbreite w₂ ergibt.

Für die Abweichung, welche die Nahfeld-Intensitätsverteilung für den exponentiellen Taper entsprechend Fig. 2d von einer Gauß-Verteilung aufweist, können die unter den beiden Kurven liegenden Flächen verglichen werden, wobei jeweils die zwischen den Punkten, welche die Halbwertsbreite bestimmen, liegenden Abschnitte der Kurven herangezogen werden. Vorteilhafterweise kann die prozentuelle Abweichung zwischen der unter der Nahfeld-Intensitätsverteilung liegenden Fläche von der unter der Gauß-Funktion liegenden Fläche weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 3%, besonders bevorzugt weniger als 1% betragen.

Durch die zumindest im Wesentlichen gaußförmige Nahfeld-Verteilung, welche beim erfindungsgemäßen Taper ausgebildet wird, kann eine zumindest weitgehend gaußförmige Form für das Transmissions-Spektrum des jeweiligen Ausgangskanals erreicht werden.

Zur Erzielung der zumindest im Wesentlichen gaußförmigen Nahfeld-Verteilung erfolgt beim erfindungsgemäßen Taper eine Energieübertragung vom fundamentalen Mode in den ersten Mode von vorteilhafterweise weniger als 2%, vorzugsweise weniger als 1%.

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Fig. 4a-4d zeigt die Femfeld („farfield)-lntensitätsverteilung, welches die auf die y-Richtung bezogene Intensitätsverteilung des Lichts am Ende des EingangsKopplers 3 ist, die sich für die Ausbildungen entsprechend den Fig. 2a-2d ergibt. Im Folgenden werden für die Bestimmung der Breite der Fernfeld-Intensitätsverteilung jeweils die Punkte herangezogen, an welchen die Intensität auf 10% des Maximalwerts abgesunken ist. Die Skalierungen der x- und y-Achsen sind in den Fig. 4a-4d gleich. Vergleicht man die Breiten der Fernfeld-Intensitätsverteilungen von Fig. 4b und 4a, so ist ersichtlich, dass die Breite B der Fernfeld-Intensitätsverteilung beim Einsatz des linearen Tapers von Fig. 2b wesentlich kleiner ist als ohne Einsatz eines Tapers (entsprechend Fig. 2a). Für den linearen Taper von Fig. 2c, dessen Endbreite w₂mit 4 pm größer als diejenige des Tapers von Fig. 2b ist, ergibt sich eine nochmals etwas schmalere Verteilung der Fernfeld-Intensität, vgl. Fig. 4c, allerdings auf Kosten der zuvor besprochenen Verbreiterung der Nahfeld-Verteilung. Betrachtet man die in Fig. 4d dargestellte Fernfeld-Intensitätsverteilung für den Fall des Einsatzes eines erfindungsgemäßen Tapers entsprechend Fig. 2d mit derjenigen von Fig. 4b, so ist die Breite der Fernfeld-Intensitätsverteilung in Fig. 4d deutlich kleiner als in Fig. 4b, und zwar um mehr als 20%, vorzugsweise mehr als 25% kleiner.

Die Breite der Fernfeld-Intensitätsverteilung bestimmt die Breite, über welche Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays vom Eingangs-Koppler ausgehen müssen, um Verluste gering zu halten. Ist die Breite der Fernfeld-Intensitätsverteilung geringer, so ist die Breite, über welche Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays ausgehen müssen, geringer, sodass bei vorgegebenem Abstand zwischen den einzelnen Wellenleitern des Wellenleiter-Arrays die Anzahl dieser Wellenleiter abnimmt und damit auch die Größe des Wellenleiter-Arrays. Entsprechend der Verringerung der Breite der Fernfeld-Intensitätsverteilung am Ende des Eingangs-Kopplers kann die Anzahl der Wellenleiter des Wellenleiter-Arrays, bei zumindest annähernd gleichen optischen Eigenschaften, gegenüber einem linearen Eingangs-Taper mit gleicher Anfangsbreite und Endbreite und gleicher Länge vorteilhafterweise um mehr als 20/o, vorzugsweise mehr als 25%, verringert werden.

n Fig. 6a-6d sind die Größenverhältnisse des AWGs für die Ausbildungen gemäß / 27 • ··· • · ···· « ♦ • · · ··· · · • · · · ··· · · * • · · · « · · · • * · · ··· · · · · der Fig. 2a-2d dargestellt.

Die Transmissions-Spektren von einigen der Ausgangs-Kanälen für die

Ausbildungen gemäß den Fig. 2a-2d sind in den Fig. 5a-5d dargestellt. Es ist der Verlust (insertion loss) IL gegen die Wellenlänge WL aufgetragen. Wie aus dem Vergleich der Fig. 5b und 5c ersichtlich ist, sind die Spektren der Ausgangs-Kanäle beim breiteren Taper entsprechend Fig. 2c wesentlich breiter als beim schmaleren Taper entsprechend Fig. 2b, entsprechend der Verbreiterung der NahfeldIntensitätsverteilung beim breiteren Taper. Damit wird das Kanal-Ubersprechen zwischen den Kanälen stark verschlechtert, konkret ist das Übersprechen (AX) von 46 dB auf 10,3 dB gestiegen. Auch der Signal-Rauschabstand BX hat sich verschlechtert.

Die aus der Ausbildung mit dem exponentiellen Taper von Fig. 2d resultierenden Ausgangsspektren, vgl. Fig. 5d, weisen dagegen eine wesentlich vorteilhaftere Form auf. Das Kanal-Übersprechen liegt mit 43 dB in einem ähnlichen Bereich wie beim linearen Taper gleicher Endbreite w₂. Auch der Signal-Rauschabstand und die Verluste liegen im gleichen Bereich. Hierbei ist die Größe des Wellenleiter-Arrays und damit des gesamten AWG wesentlich geringer, wie aus dem Vergleich von Fig. 6d mit Fig. 6b ersichtlich ist.

Es wird damit die Implementierung des AWG mit weiteren optischen Komponenten auf einem Chip der Größe 2 cm x 2 cm möglich. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Chips 16 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Speziell handelt es sich um einen Teil eines OCT-Geräts. Das von einem erfindungsgemäßen AWG 7 gebildete Spektrometer ist in Fig. 7 symbolisch als Rechteck eingezeichnet. Auf dem Chip ist im Weiteren die Interferenz-Einheit 8 des OCT untergebracht. Von der InterferenzEinheit 8 führt ein erster Wellenleiter 9 zu einer Lichtquelle 13, insbesondere einer Laserdiode, deren Licht in den ersten Wellenleiter 9 eingekoppelt wird. Ein zweiter und ein dritter Wellenleiter 10, 11 führt von der Interferenz-Einheit zu einem Referenz-Arm 14 und in einen Mess-Arm 15. Ein vierter von der Interferenz-Einheit 8 ausgehender Wellenleiter stellt den Eingangs-Wellenleiter 2 in das AWG 7 dar. Von / 27 • · ···· « · · » « « * · · · · · · · · · * · · · * ···«»· · ·····»· ··· »· «· ·· «··« · ·· den Ausgangs-Wellenleitern 6 des AWG sind nur einige dargestellt. Die von ihnen übertragenen Lichtkomponenten werden mittels eines in Fig, 7 nur symbolisch eingezeichneten Detektors 12 detektiert.

Es können somit vorteilhafterweise das AWG 7, die Interferenz-Einheit 8 und der Detektor 12 des OCT auf einem einzigen Chip 16 der Größe 2cm x 2cm untergebracht werden.

Ein erfindungsgemäßes AWG kann ein Kanal-Übersprechen („channel crosstalk) von weniger als 30 dB, vorzugsweise von weniger als 40 dB aufweisen.

Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes AWG in einem Wellenlängenbereich von 800 bis 900 nm arbeiten.

Mit einem erfindungsgemäßen AWG kann günstigerweise eine Auflösung von weniger als 0,1 nm erreicht werden.

Beim erfindungsgemäßen exponentiellen Taper mit negativem Exponenten werden der Wert α und die Länge I so gewählt, dass das gewünschte geringe KanalÜbersprechen von vorzugsweise weniger als 30 dB, besonders bevorzugt weniger als 40 dB erreicht wird, dies bei der gewünschten Auflösung von weniger als 0,1 nm. Insbesondere liegt bei einem SiO₂-Si₃N₄-System α vorteilhafterweise im Bereich von 3 bis 9, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 7. Die Länge I liegt dabei vorteilhafterweise im Bereich von 8 pm bis 15 pm, vorzugsweise im Bereich von 9 pm bis 13 pm.

Ein erfindungsgemäßes AWG kann auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere überall dort, wo eine hohe Auflösung bei einem geringen Kanal-Übersprechen und geringen Verlusten gewünscht ist. Hierbei ist nicht nur eine Ausbildung als Spektrometer denkbar und möglich sondern beispielsweise auch eine Ausbildung als Multiplexer oder Demultiplexer.

Der Schichtaufbau kann beispielsweise auch mit einem SiO₂ dotiert-SiO₂ oder Si13 / 27 ·« ···· ·· · *· • « · · · · · • · · · · ·· • » «»··«· · » » · · · · · «

SiO₂-System oder einem anderen System realisiert werden.

In vorteilhaften Ausbildungen beträgt hierbei der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Kernmaterial und der Ummantelung der Wellenleiterstruktur mindestens 20%. Ein solcher Unterschied im Brechungsindex liegt beispielsweise beim SiO₂-Si₃N₄-System vor.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   1. Arrayed Waveguide Gräting (AWG), umfassend

   - einen Eingangs-Wellenleiter (1) zum Zuführen des Lichts,

   - einen Eingangs-Koppler (3), der einen ersten Freistrahlbereich ausbildet,

   - einen vom Eingangs-Koppler (3) ausgehenden Wellenleiter-Array (4) mit einer Vielzahl von Wellenleitern abgestufter Längen,

   - einen an den Wellenleiter-Array (4) anschließenden Ausgangs-Koppler (5), der einen zweiten Freistrahlbereich ausbildet,

   - einer Vielzahl von vom Ausgangs-Koppler (5) ausgehenden AusgangsWellenleitern (6) zum Abführen der aufgeteilten Wellenlängen-Komponenten des Lichts, wobei der Eingangs-Wellenleiter (1) über einen Eingangs-Taper (2) mit dem Eingangs-Koppler (3) verbunden ist und die Anfangsbreite (w1) des EingangsTapers (2) der Breite des Eingangs-Wellenleiters (1) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Eingangs-Taper (2) um einen exponentiellen Taper mit negativem Exponenten (-a*x) handelt.
2. 2. AWG nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwerts breite der Nahfeld-Intensitätsverteilung am Eingang des Eingangs-Kopplers (3) weniger als 10% größer als die Halbwertsbreite der NahfeldIntensitätsverteilung im Falle des Einsatzes eines linearen Eingangs-Tapers gleicher Anfangsbreite (w,) und Endbreite (w₂) und gleicher Länge (I) ist.
3. 3. AWG nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Fernfeld-Intensitätsverteilung im Eingangs-Koppler (3) zwischen den Punkten, an welchen die Größe der Fernfeld-Intensität 10% des Maximalwerts beträgt, um mehr als 20%, vorzugsweise um mehr als 25%, kleiner ist als die entsprechende Breite der Fernfeld-Intensitätsverteilung, welche sich bei

   16 / 27 .·16 • · ·« • · ® < » · · «· • · · ·· · · * · · ♦ · · · ·· «·«» « »» einem linearen Eingangs-Taper mit gleicher Anfangsbreite (w,) und Endbreite (w₂) und gleicher Länge (I) ausbildet.
4. 4. AWG nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied im Brechungsindex zwischen dem Kernmaterial und der Ummantelung der Wellenleiterstruktur mindestens 20% beträgt.
5. 5. AWG nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche des AWG ohne Berücksichtigung des Eingangs-Wellenleiters (1) und der Ausgangs-Wellenleiter (6) von einem Quadrat einfassbar ist, dessen Seitenlänge weniger als 2 cm, vorzugsweise weniger als 1, 5 cm beträgt.
6. 6. AWG nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der die Form des Eingangs-Tapers (2) charakterisierenden Exponentialfunktion e“* der Wert α im Bereich von 3 bis 9, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 7, liegt.
7. 7. AWG nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahfeld-Intensitätsverteilung zumindest annähernd gaußförmig ist.
8. 8. AWG nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die prozentuelle Abweichung zwischen der unter der Kurvenform der NahfeldIntensitätsverteilung liegenden Fläche, die zwischen den Punkten liegt, an welchen die Nahfeld-Intensität die Hälfte der maximalen Intensität aufweist, von der unter einer die gleiche Halbwertsbreite aufweisenden Gaußfunktion liegenden Fläche, die zwischen den Punkten liegt, an welchen die Gaußfunktion die Hälfte des Maximalwerts aufweist, weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 3%, besonders bevorzugt weniger als 1% beträgt.
9. 9. AWG nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Eingangs-Taper (2) eine Energieübertragung vom Fundamental-Mode in den

   17 / 27 ·· ·· ·· ···· <*· « • « • · · • ···· • · ···· · .IV ·· ·· ersten angeregten Mode erfolgt, die weniger als 2%, vorzugsweise weniger als 1% beträgt.
10. 10. OCT-Gerät mit einem AWG nach einem der Ansprüche 1 bis 9.